高熵合金涂层结构安全性能检测系统

高熵合金涂层结构安全性能检测系统

陶钰禧 1 华烨 2 马德彬 3

1.华北理工大学 冶金与能源学院 063210 2.华北理工大学 管理学院 063210 3.华北理工大学 电气工程学院 063210

1 研制背景及问题提出

1.1 高熵合金的背景

目前高熵合金的制备分为高熵合金块体、涂层、薄膜的制备。由于高熵合金块体在制备时受到工艺水品、复杂工序的限制，当前，高熵合金研究主要集中于块体材料，其制备方法是真空电弧炉熔炼法，但这种制备方法存在的问题较多，块体容易出现晶粒粗大、枝晶偏西严重及成分不均的现象，且制备的样品尺寸有限，加入的Cr、W、Mo、Ti等价格高昂，使其成本高于多数传统合金，因此难以应用于工业领域。此时，研究具有与高熵合金块体性能相似且制备成本低的高熵合金涂层，并将其运用于工业生产是更佳的选择。

1.2 高熵合金安全性检测的提出

高熵合金是脆性材料，复杂且多样化的性能组合在不同的应用条件下容易发生事故，若是未对其进行安全性检测就直接投入工业生产、应用，其较差的安全性将会对人身安全和国民经济带来巨大的损失。随着冶金工艺的成熟，高熵合金的优异性能被各个领域知晓，制备并利用高熵合金逐渐成为以低成本获得高质量、多性能材料的途径。因此，合金质量不仅决定着建筑、工具的质量，还与人们的生产生活息息相关，因此，本文将对建立“高熵合金涂层结构安全性能智能检测系统”进行说明，以望通过该智能检测系统，对高熵合金涂层的安全性进行检测和指导提升，促进高熵合金在工业生产中的应用，为国家基础建设增添新的活力。

2 智能检测系统设计方案

2.1 化学成分分析模块

2.1.1 基于成分定义

2004年，根据成份组成对高熵合金的定义首次公诸于世，包含至少5种主元且每种元素的原子百分含量为5%-35%，用公式表示为：

由公式可以得出，高熵合金并非需要相等或相近含量的金属元素为其丰富的材料性能（例如：延展性、硬度、强度、濡变、氧化性等）作必要条件。

2.1.2 基于混合熵的定义

根据Boltzmann的热力学统计原理，熵和混乱程度之间的关系可以表示为： ，其中 是区别溶液中原子排列方式的数量，k是Boltzmann系数，体系中全部的熵来源于四个部分：构型熵、振动熵、磁偶极子熵、电子随机熵（electronic randomness entropy），四者的 和为系统的混合熵。构型熵是四者中作用最显著的，因此，将构型熵作为混合熵的替代，以减少复杂的计算。这种理想的体系的熵可以大致用公式：

】=

其中R是气体常数，c_i是i元素占整个高熵合金体系的摩尔分数，n是体系中所包含的元素数量，当 =。。。 ，时，体系的熵值达到最大。无论合金在室温下有一相或多相，只要它的熵值在随机状态下大于1.5R，即 就将其认定为高熵合金，见下图：

图1 高熵合金合金不同相分布随熵值的变化

高熵合金涂层的化学成分分析模块，主要利用C++计算机语言结合与Matlab软件，建立高熵合金涂层的化学成分数据库框架；然后将利用上述两种定义方式计算获得的高熵合金元素组成，辅以现有公开发表的高熵合金成分大数据，完成高熵合金涂层化学成分数据库的建立，从而为高熵合金涂层结构安全性能检测系统的设计打下坚实的基础。

2.2 组织形态表征模块

为了打破传统的安全检测系统，我们将检测设备中对覆盖高熵合金涂层的合金材料的检测方向设置为X方向、Y方向、Z方向以及在XY平面内绕Z轴旋转的运动，让照明光束能够充分的与材料接触且始终保持最优的照射角度。同时为保证合金材料能完全的退出检测设备，检测设备本身需要有沿X轴方向的运动。由于高熵合金涂层的优异性能，其表面缺陷的大小以及不均匀程度的范围都较传统合金有所提升，所以，目前的工业照相设备的图片拍摄精确度、图像的处理速度还需提升。同时，在设备对高熵合金涂层表面进行检测前，需预先规划好安装位置以及设备的路径，以保证系统的稳定和高效运行。

2.3 综合性能测试模块

经过市场调查，联系多家第三方金属材料机械性能检测机构（青岛斯坦的德检验、微谱技术检验、复旦大学复达检验中心），结合其测试建议及基本收费情况，最终确定将以下几个机械性能列入高熵合金涂层安全性能检验系统的流程中，分别是：洛氏硬度、拉伸试验、中性盐试验，通过建立数据库，得到综合性能测试的检测系统，由此来完成对金属材料性能的评价。